大工春新能源发电大作业风力发电关键技术.doc

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《新能源发电》课 程 设 计

题 目： 风力发电技术
学习中心：奥鹏学习中心
层 次： 专升本
专 业： 电气工程及其自动化
年 级： 春季
学 号：
学 生：
辅导教师：
完毕日期： 03月22日

总则
风力发电是一种技术最成熟可再生能源运用方式，发电机是风力发电机组中将风能转化为电能重要装置，控制技术是风力机安全高效运营核心。

第一章 风力发电发呈现状

　　国内是世界上风力资源占有率最高国家，也是世界上最早运用风能国家之一，据资料记录，国内10m高度层风能资源总量为3226 GW，其中陆上可开采风能总量为253 GW，加上海上风力资源，国内可运用风力资源近1000 GW。如果风力资源开发率达到60%，仅风能发电一项就可支撑国内当前所有电力需求。
　　国内运用风力发电起步较晚，和世界上风能发电发达国家如德国、美国、西班牙等国相比尚有很大差距，风力发电是20世纪80年代才迅速发展起来，发展初期研制风机重要为1 kW、10 kW、55 kW、220 kW等各种小型风电机组，后期开始研制开发可充电型风电机组，并在海岛和风场广泛推广应用，当前有风机已远销海外。至今，国内已经在河北张家口、内蒙古、山东荣城、辽宁营口、黑龙江富锦、新疆达坂城、广东南澳和海南等地建成了各种大型风力发电场，并且筹划在江苏南通、灌云及盐城等地兴建GW级风电场。截止底，国内风机装机容量已达到6.05 GW，年发电量占全国发电量0.8%左右，比风电发电量增长了近10倍，国内风力发电量已跃居世界第5位。

第二章 比较各种风力发电机优缺陷

一．当前风力发电机有两种形式：
1 水平轴风力发电机（大、中、小型）
2 垂直轴风力发电机（大、中、小型）。
水平轴风力发电机技术发展比较快，在世界各地人们已经很早就结识了，大型水平轴风力发电机已经可以做到3-5兆瓦，普通由国有大型公司研发生产，应用技术也趋于成熟。小型水平轴风力发电机普通是某些小型民营公司生产，对研发生产技术规定比较低，其技术水平也是参差不齐。
小型水平轴风力发电机额定转速普通在500-800r/min，转速高，产生噪音大，启动风速普通在3-5m/s，由于转速高，噪音大，故障频繁，容易发生危险，不适当在有人居住或通过地方安装。
垂直轴风力发电机技术发展较慢某些，由于垂直轴风力发电机对研发生产技术规定比较高，特别是对叶片和发电机规定。近几年垂直轴风力发电机技术发展不久，特别小型垂直轴风力发电机已经很成熟。
小型垂直轴风力发电机额定转速普通在60-200r/min，转速低，产生噪音很小（可以忽视不计），启动风速普通在1.6-4m/s。
二． 参数对比：
序号 性能 水平轴风力发电机 垂直轴风力发电机
1 发电效率 50-60% 70%以上
2 电磁干扰（碳刷） 有 无
3 对风转向机构 有 无
4 变速齿轮箱 10KW以上有 无
5 叶片旋转空间 较大 较小
6 抗风能力 弱 强（可抗12-14级台风）
7 噪音 5-60分贝 0-10分贝
8 启动风速 高（2.5-5m/s） 低(1.5-3m/s)
9 地面投影对人影响 眩晕 无影响
10 故障率 高 低.
11 维修保养 复杂 简朴
12 转速 高 低
13 对鸟类影响 大 小
14 电缆绞线问题 有 无
（或碳刷损坏问题）
15 发电曲线 凹陷 饱满

第三章 简介有关风力发电控制技术

风力发电机组可以分为两大类：恒速恒频机组和变速恒频机组。风力发电机并入电网运营时，规定风力发电频率保持恒定为电网频率(在国内，电网频率为50Hz)。恒速恒频指在风力发电中控制发电机转速不变，从而得到频率恒定电能；变速恒频指发电机转速随风速变化而变化，通过一定控制办法来得到恒频电能。
一、如今投入实际运营恒速恒频机组重要分为2类：
1、一类采用鼠笼式异步发电机，如图2.1所示。并网后，在电机机械特性稳定区内运营，异步发电机转子速度需要高于同步转速。当风力机传给发电机机械功率随风速增长时，发电机输出功率及其电磁转矩也相应增大。普通状况下，当转子速度高于同步转速3％-5％时达到最大值，若超过这个转速，异步发电机会进入不稳定区，产生电磁转矩反而减小，导致转速迅速升高，引起飞车。此外，异步发电机并网运营后，在向系统输出有功功率同步，需要从电网吸取无功功率来建立磁场，它不具备调节和维持机端电压能力。最后，由于转子速度变化范畴比较小，而风速经常变化，显然，风能运用系数Cp不能保持在最佳值。

图2.1采用鼠笼式异步发电机恒速恒频机组
2、另一类采用绕线式异步感应发电机，如图2.2所示。它特点是，采用了外接可变转子电阻。这种构造最初是由丹麦Vestas公司提出来，又称OptiSlip风力发电系统。通过电力电子变换器调节外接转子电阻大小，可以变化异步发电机转差率S。相比鼠笼式异步发电机，转差率S变化范畴变大了，可达0-10％。然而，这种系统依然需要从电网吸取无功功率，此外，转差功率转换成了外接转子电阻热能损耗，没有被有效运用。

图2.2采用绕线式异步感应发电机恒速恒频机组
二、投入实际运营变速恒频机组也重要分为2类：
1、一类是绕线转子双馈感应发电机系统，如图2.3所示。此类系统特点是：在绕线式异步发电机转子上连接了一种交-直-交(AC-DC-AC)电力电子变流器。该变流器可以实现转子和电网之间双向能量流动，转子侧变换器控制异步发电机，网侧变换器控制和电网能量互换。双馈发电机本质上是同步发电机，因此可以调节双馈发电机吸取无功功率。此外，双馈发电机转速运营范畴可以达到70%-130％同步转速，即其转差率S可以达到-30％～30％。

图2.3绕线转子双馈感应发电机系统
2、另一类是直驱型风力发电系统，如图2.4、2.5、2.6所示。直驱型风力发电系统中，风轮机与发电机(永磁同步发电机或绕线式感应发电机或绕线式同步发电机)直接相连，无需升速齿轮箱，但是需要直驱多级发电机，其直径较大。一方面将风能转化为频率变化、幅值变化交流电，通过整流之后变为直流，然后通过三相逆变器变换为三相恒频恒幅交流电连接到电网。通过中间全功率电力电子变换装置，对系统有功功率和无功功率进行控制，可以实现最大功率跟踪，从而可以实现对风能最高效率运用。

图2-4直驱型风力发电系统
直驱式永磁同步发电机依照全功率变流器不同又可分为：
（1）不可控整流+DC/DC升压+PWM电压源型逆变器型
DC/DC环节将整流器输出直流电压提高并保持稳定在适当范畴内，使得逆变器输入电压稳定，提高运营效率、减小谐波。全控型器件数量较少，控制电路较简朴。

图2-5直驱型风力发电系统
（2）背靠背双PWM变流器型
PWM整流器可同步实现整流和升压，效率较高，通过电流隔离，机侧和网侧可以实现各自控制方略。但是，全控型器件数量多，控制电路复杂，增长了变流系统成本。

图2-6直驱型风力发电系统
三、变桨距直驱型风电机组实现功率调节途径和办法
永磁直驱式风力发电系统整体控制框图如图3-1所示，控制系统重要分为三某些：主控制系统、变流器控制系统、变桨距控制系统。变速恒频同步直驱风力发电机运营可分为两个重要方式：最大功率输出运营和额定功率输出运营。主控制器依照风力发电机组运营工况，通过最大风能捕获算法得到发电机功率指令来控制变流器开关动作，从而使风力机捕获最大风能；当风速超过额定风速时，变桨系统开始动作，避免风速太大而损坏风力机；变流器系统、变桨系统执行主控制器发给它们控制指令。

图3-1永磁S驱式风力发电系统整体控制框图
从图3-2中可以看出，在达到额定风速之前，风力发电机运营在最大功率输出模式，待达到了额定风速之后，风力发电机运营在额定功率输出模式。

图3-2 风力发电机运营曲线
主控制系统最大风能跟踪算法是保证风力机稳定运营核心，它重要实现风力机变速、变桨控制。在低风速区，为实现最大风能跟踪，风力机转速变化与风速变化成正比，以保持最佳叶尖速比，它是通过机侧变流器控制来实现，而此时控制器将叶片攻角置于零度附近，不作变化；当风速超过额定风速时，风力机要限制功率输出，保持额定功率运营，这一阶段重要通过变桨距角来控制，变桨距机构发挥作用，调节叶片攻角，将发电机输出功率限制在额定值附近。在这两个阶段之间，普通风力机尚有一种恒速区域，到达这个区域后风力机转速已达到额定速度，但是输出功率还没有达到额定功率，不同风力机在这个阶段有不同控制方案。如图3-3，当发电机没有并入电网时候(状态A)，这个时候整个控制系统通过变化桨距角度来变化叶片转矩，使得发电机转速上升到转速给定值，发电机并网。并网后，控制系统切换到状态B进行功率控制。

图3-3 变桨距直驱式风力发电机组控制图
普通状况下，风力机从切入风速到额定风速不是始终保持最桂叶尖速比运营。由于变流器容量和风力机机械强度约束，风力机设有启动转速和额定转速，在风速不同状况下，其控制方略完全不同，依照风速变化进行分区域控制。风力机根据转速变化来分区域、分阶段控制，如下根据风力机转速-转矩曲线来阐明永磁直驱式风力发电机组分区控制原理风力机转速-转矩曲线如图3-4所示。

图 3-4 风力机抱负转速-转矩曲线
风力机分区域控制可以提成四个典型控制区，在这四个控制区相应着不同风速范畴，不同区域控制办法也不相似。
(1) 在切入风速以上低风速区域，风力机以最小转速ω1，恒转矩运营在区域Ⅰ；
(2) 在最小转速ω1以上，转速随风速变化而变化，风力机运营在最佳叶尖速比，这个区域风能运用系数最大，如图3-4所示区域Ⅱ，也即是最大风能跟踪(MPPT)模式；
(3) 受风力机机械强度和变流器电压、容量限制，风力机运营在转速ω3时，达到区域Ⅱ模式最大转速，这时风速还没有达到额定风速，但必要保持额定转速运营而不能超过额定转速，这个恒速运营阶段始终到风力机输出额定功率为止，即区域Ⅲ模式；
(4) 风力机运营到H点达到额定功率，当风速超过额定风速后，变桨系统启动，以控制风力机运营在额定功率，即区域Ⅳ模式。
(5)当风力机转速超过最大安全转速ω5时，规定风力机必要安全停机。
从图2-8转速-转矩曲线可以看出，在风力机控制前三个阶段，风力机转速控制都是低于额定风速下变速控制，也就是通过控制发电机组输出转矩来实现风力机变速控制。在H点，风力机运营到额定转速，风速若继续增大，风力机也自然会增速，为控制风力发电机组输出功率为额定功率，变桨系统开始动作。为了防止风力机在变速控制与变桨控制之间频繁切换，为变桨控制留了一定转速余量，即变桨系统启动控制速度为ω4 。也就是说风力机转速在ω3如下进行变速控制，而转速在ω4以上时进行变桨控制。普通桨距角随风速变化状况如图3-4所示：

图3-4桨距角随风速变化状况

第四章 对风力发电技术发展趋势展望

　 随着当代工业飞速发展，人类对能源需求明显增长，而地球上可运用常规能源日趋匮乏。据专家预测，煤炭还可开采221年，石油还可开采39年，天然气只能用60年。这种预测也许不很精确，但常规能源必然是越用越少，总有一天要用尽。未雨绸缪，咱们必要为将来考虑，为子孙后裔能源问题着想，开发运用新能源，实现能源持续发展，从而保证经济可持续发展和社会不断进步，最后实现人El、资源、环境协调发展，已成为各国政府必要解决大问题。惟一出路就是有筹划地运用常规能源，节约能源，开发新能源和可再生能源。
由此可以推测，21世纪风力发电前景非常辽阔。科学技术长足进步，经济迅速发展，使人们生活水平有了新奔腾。同步，人口增长，对能源需求也越来越大，环境污染越来越严重，人类必要解决人口、资源、环境可持续发展问题。从能源、电力市场看，世界能源、电力市场发展最快已不再是石油、煤和天然气，风力发电、太阳能发电等可再生能源异军突起，特别是风力发电，以其无污染，可再生，技术成熟，近几年以25%增长速度位居各类能源之首，倍受世人青睐。l999年全世界新增装机容量36×105kW，1zLl998年增长36%，也创下了风电工业史纪录。据"绿色和平"组织和欧洲风能协会组织预计，至1J风力发电可提供世界电力需求l0%，创造l70万个就业机会，减少全球二氧化碳排放量超过l012t，至lJ2040年这个比例可达20%，甚至更高，有望超过水力发电。因而，国际能源专家预言：21世纪是风力发电世纪。可以说，绿色能源--风力发电将为人类最后解决能源问题带来新但愿。